破碎-分选后失效锂离子电池的电极材料中Co、Li和C的分离回收

摘要

锂离子电池(LIB)被广泛应用于移动电子设备、电动汽车和储能等领域，但由于生命周期有限和产品的更新换代，导致其报废数量与日俱增。失效锂离子电池中含有价值金属钴、锂等，且含量远远高于精矿石的含量。目前失效锂离子电池资源化研究以湿法冶金工艺为主，该工艺产生大量高浓度的化学试剂废液，二次污染严重且回收处理成本较高。为满足循环经济的发展需求，需研发从失效锂离子电池中回收有价金属的环境友好、高效的新技术。为此，本文提出了无氧焙烧失效锂离子电池电极材料的回收方法，即利用负极材料（石墨）还原正极材料（钴酸锂）无需添加额外还原剂。
　　首先，将失效锂离子电池进行预处理，富集电极材料。并对预处理过程中的三废污染等进行检测和评价，并提出改善措施。然后，探究高温下石墨还原钴酸锂的可行性，包括热力学理论分析、同步热重分析。在可行性分析基础上进行模拟实验，采用管式炉在氮气气氛中焙烧不同配比的混合材料，调节加热温度、保温时间等参数，促使钴酸锂和石墨发生反应。最后，采用湿式磁选法将电极材料焙烧后的产物分离富集，并运用X射线衍射、电感耦合等离子发射光谱仪和总碳分析仪等检测方法表征产物，探究高温反应机制。
　　实验结果表明，高温焙烧还原钴酸锂的适宜条件为，物质的量比n(LiCoO2):n(C)=4:3的混合材料在氮气气氛中加热850℃保温30min，钴的回收率可以达到95.98％，锂的回收率为94.12%，反应方程式为4LiCoO2+3C=2Li2CO3+4Co+CO2。湿式磁选得到钴含量为97.68%的磁性固体，焙烧和分离富集全过程钴的回收率为90.07%；碳含量为84.86%的弱磁性固体，以及锂元素浓度为337.4mg/L的水溶液（远高于钴元素浓度0.2046mg/L）。锂元素的溶解率达到98.93%，焙烧和分离富集全过程锂的回收率为93.61%。后续可利用电解法或化学法继续提取高纯度含锂化合物。
　　本文研究结果表明氮气焙烧法可以实现从失效锂离子电池中回收钴和锂，并且本方法简化回收工艺，减少二次污染，这为安全环保地处理失效锂离子电池提供了思路，并为其减量化和资源化提供了理论和实验基础。

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第一章 绪论

1.1 锂离子电池

1.2 失效锂离子电池资源化技术的研究现状

1.3 研究目标与意义

1.4 研究内容、方法与技术路线

第二章 实验原料和设备

2.1 引言

2.2实验原料

2.3实验设备

第三章 预处理及污染物评价

3.1 引言

3.2 预放电及其污染物分析

3.3 拆解及VOC检测

3.4 集流体破碎及电极材料分离

3.5 本章小结

第四章 电极材料焙烧还原反应可行性分析

4.1 引言

4.2 钴酸锂的热稳定性

4.3 钴酸锂与石墨的同步热重分析

4.4 本章小结

第五章 钴酸锂氮气焙烧还原反应实验

5.1引言

5.2氮气碳热还原

5.3 本章小结

第六章 氮气气氛焙烧产物的分离富集

6.1引言

6.2产物各成分物理性质

6.3焙烧产物的湿式磁选

6.4本章小结

第七章 结论与展望

7.1 结论

7.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况